Искровая ионизация
Искровая ионизация (также известная как ионизация искровым источником ) — это метод, используемый для получения ионов газовой фазы из твердого образца. Подготовленный твердый образец испаряется и частично ионизируется прерывистым разрядом или искрой. [1] Этот метод в основном используется в области масс-спектрометрии . При объединении с масс-спектрометром весь прибор называется масс-спектрометром с искровой ионизацией или масс-спектрометром с искровым источником (SSMS). [2]
История
[ редактировать ]На использование искровой ионизации для анализа примесей в твердых телах указала работа Демпстера в 1935 году. [3] Металлы представляли собой класс материалов, которые ранее нельзя было ионизировать термической ионизацией (методом, ранее использовавшимся для ионизации твердых образцов). Источники искровых ионов коммерчески не производились до 1954 года, когда Hannay продемонстрировала свою способность анализировать следы примесей (чувствительность обнаружения долей на миллион) в полупроводниковых материалах. [4] Прототипом прибора с искровым источником был масс-спектрометр MS7 производства Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. в 1959 году. Коммерческое производство приборов с искровыми источниками продолжалось на протяжении 50-х, 60-х и 70-х годов, но оно было прекращено, когда были изобретены другие методы обнаружения микроэлементов с улучшенным разрешением и точностью (около 1960-х годов). [5] Преемниками искрового источника ионов для анализа микроэлементов являются лазерный источник ионов, источник ионов тлеющего разряда и источник ионов с индуктивно связанной плазмой . Сегодня во всем мире очень немногие лаборатории используют искровую ионизацию.
Как это работает
[ редактировать ]Искровой источник ионов состоит из вакуумной камеры, содержащей электроды, которая называется искровым корпусом. Кончики электродов состоят из образца или содержат его и электрически соединены с источником питания. Экстракционные электроды создают электрическое поле, которое ускоряет генерируемые ионы через выходную щель.
Источники ионов
[ редактировать ]Для искровой ионизации существуют два источника ионов: низковольтный дуговой источник постоянного тока (DC) и высоковольтный радиочастотный (ВЧ) искровой источник. Дуговой источник имеет лучшую воспроизводимость, а образующиеся ионы имеют меньший энергетический разброс по сравнению с искровым источником; однако источник искры способен ионизировать как проводящие, так и непроводящие образцы, тогда как источник дуги может ионизировать только проводящие образцы. [6]
В низковольтном дуговом источнике постоянного тока к двум проводящим электродам подается высокое напряжение для инициирования искры, после чего подается постоянный ток низкого напряжения для поддержания дуги между искровым промежутком. Длительность дуги обычно составляет всего несколько сотен микросекунд, чтобы предотвратить перегрев электродов, и повторяется она 50-100 раз в секунду. [2] Этот метод можно использовать только для ионизации проводящих образцов, например металлов.
Высоковольтный источник радиочастотной искры использовался в коммерческих приборах SSMS из-за его способности ионизировать как проводящие, так и непроводящие материалы. Обычно образцы физически помещают в два проводящих электрода , между которыми возникает прерывистая (1 МГц) высоковольтная (50–100 кВ при использовании трансформатора Тесла) электрическая искра , ионизирующая материал на концах игольчатых электродов. [2] Когда импульсный ток подается на электроды в сверхвысоком вакууме, в искровом промежутке возникает плазма искрового разряда , в которой за счет электронного удара генерируются ионы. В плазме разряда образец испаряется, распыляется и ионизируется электронным ударом. [7] Общий ионный ток можно оптимизировать, регулируя расстояние между электродами. Этот режим ионизации можно использовать для ионизации проводящих, полупроводниковых и непроводящих образцов.
Подготовка проб
[ редактировать ]Проводящие и полупроводниковые образцы можно анализировать непосредственно после того, как они были сформированы в электроды. Непроводящие образцы сначала измельчают в порошок, смешивают с проводящим порошком (обычно графитом или серебром высокой чистоты), гомогенизируют, а затем формируют электроды. Даже жидкости можно анализировать, если они заморожены или после пропитки проводящим порошком. [8] Гомогенность образца важна для воспроизводимости.
Масс-спектрометрия с искровым источником (SSMS)
[ редактировать ]ВЧ-искровой источник создает ионы с широким разбросом по энергии (2-3 кВ), что обусловливает необходимость использования масс-анализатора с двойной фокусировкой. Масс-анализаторы обычно имеют геометрию Маттауха-Герцога , которая обеспечивает скорость и направленную фокусировку на плоскость с помощью либо фоточувствительных пластин для обнаружения ионов, либо линейных матриц каналотронных детекторов. [9] SSMS имеет несколько уникальных функций, которые делают его полезным для различных приложений. К достоинствам SSMS относятся высокая чувствительность с пределами обнаружения в диапазоне частей на миллиард, одновременное обнаружение всех элементов в образце и простая подготовка проб. Однако ионный ток радиочастотной искры является прерывистым и неустойчивым, что приводит к приемлемому разрешению и точности, когда стандарты не соблюдаются. Другие недостатки включают дорогое оборудование, длительное время анализа и необходимость в высококвалифицированном персонале для анализа спектра. [5]
Приложения SSMS
[ редактировать ]Масс-спектрометрия с искровым источником использовалась для анализа следов и многоэлементного анализа высокопроводящих, полупроводниковых и непроводниковых материалов. Некоторыми примерами применения SSMS являются анализ микроэлементов материалов высокой чистоты, многоэлементный анализ элементов в технических сплавах, геохимических и космохимических пробах, биологических пробах, пробах промышленных потоков и радиоактивных материалах. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Определение золотой книги ИЮПАК
- ^ Jump up to: а б с Х. Е. Беске, А. Херрле и К. П. Йохум (1981). «Часть I. Принципы масс-спектрометрии с искровым источником (SSMS)». Журнал аналитической химии Фрезениуса . 309 (4): 258–261. дои : 10.1007/BF00488596 .
- ^ Демпстер, Эй-Джей (апрель 1935 г.). «Новые источники ионов для масс-спектроскопии» . Природа . 135 (3414): 542. дои : 10.1038/135542a0 .
- ^ Ханней, Нью-Йорк (июль 1954 г.). «Масс-спектрограф для анализа твердых тел». Обзор научных инструментов . 25 (7): 644–648. дои : 10.1063/1.1771150 .
- ^ Jump up to: а б Верлинден, Йозеф; Гейбельс, Ренаат; Адамс, Фредди (1986). «Применение искровой масс-спектрометрии в анализе полупроводниковых материалов. Обзор». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 1 (6): 411. дои : 10.1039/JA9860100411 .
- ^ Адамс, Ф.; Томас, Дж. М. (1982). «Последние достижения в области аналитической масс-спектрометрии с искровыми источниками [и обсуждение]». Философские труды Лондонского королевского общества . 305 (1491): 509–519. дои : 10.1098/rsta.1982.0048 . ISSN 0080-4614 . JSTOR 37113 .
- ^ Край, Агнешка (2009). Экман, Рольф; Зильберринг, Ежи; Вестман-Бринкмальм, Энн; Край, Агнешка (ред.). Масс-спектрометрия: приборы, интерпретация и приложения . Джон Уайли и сыновья. стр. 19–20 . дои : 10.1002/9780470395813 . ISBN 9780470395806 .
- ^ Jump up to: а б Беске, ОН; Гейбельс, Р.; Херрл, А.; Йохум, К.П. (1981). «Часть IV. Обзор и оценка масс-спектрометрии искрового источника как аналитического метода». Журнал Фрезениуса по аналитической химии . 309 (4): 329–341. дои : 10.1007/BF00488613 .
- ^ Беккер, Сабина; Дитце, Ханс-Иоахим (29 февраля 2000 г.). «Неорганические масс-спектрометрические методы следового, ультраследового, изотопного и поверхностного анализа». Международный журнал масс-спектрометрии . 197 (1–3): 1–35. дои : 10.1016/S1387-3806(99)00246-8 .
| Источник ионов | |
|---|---|
| Масс-анализатор | |
| Детектор | |
| Комбинация МС | |
| Фрагментация | |
